半主动式反射镜面支承和定位系统的制作方法

本发明涉及一种定位和支承装置，用于大型精密光学反射镜面的支承和定位，尤其适用于大型天文望远镜主镜的支承和定位。

背景技术：

精密光学镜面需要稳定精密地支承和定位，如天文望远镜在对天体进行跟踪观测的过程中，镜面往往需要从最低指向接近地平面开始一直到转至最高指向天顶方向，即往往需要实现俯仰角从0度到90度的范围，并且需要在跟踪过程中保证镜面的始终保持要求的面形精度和定位精度。这就需要对天文望远镜的所有镜面，特别是主镜进行良好的定位和支承。为解决这一问题，传统方法是，望远镜主镜通常多采用被动支承结构，并且往往将轴向支承和侧向支承分开实施，如采用杠杆平衡重锤机构(参见图1)、跷跷板(Whiffle-tree)机构(参见图2)来实现对主镜的支承；另外，同时还往往需要设置一个中心定位机构来实现对主镜的定位。

随着自动控制技术的发展，现代大型望远镜主镜更多地采用的主动支承技术，即主镜底部设置多个力促动器或位移促动器，在计算机控制下，对镜面的位姿和面形进行实时控制，从而保证望远镜在跟踪观测过程中镜面具有要求的面形精度和定位精度。同样，仍然需要设置定位机构对镜面的某几个自由度进行定位，并需要侧向支承，往往也采用杠杆平衡重锤机构或侧向支承用跷跷板机构来实施。

上述镜面支承方式的缺点是：基于传统被动支承的轴向支承及侧向支承的结构复杂，受结构限制较大，增加支承点会导致结构层次叠加；而先进的主动支承方式，需要实时检测，闭环控制，系统复杂，造价较高。

技术实现要素：

为了克服上述精密光学镜面传统支承机构定位与支承的不足，同时兼顾造价与实现工艺性两个方面，本发明提供一种实现精密反射镜面轴向和侧向支承和定位的支承结构方案，允许被支承镜面作俯仰变化，并且易于精密控制与调整镜面位置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种半主动式反射镜面支承和定位系统，用于支承和定位反射镜面，包括镜面支承系统以及镜面位姿调整系统，反射镜面，具有六个自由度，包括三个分别沿坐标轴X、Y、Z的轴向平动以及三个分别绕坐标轴X、Y、Z的转动；所述镜面支承系统包括轴向支承系统和侧向支承系统，而镜面位姿调整系统则包括轴向镜面位姿调整系统和侧向镜面位姿调整系统；

所述的轴向镜面位姿调整系统，包括轴向位姿调整用位移促动器、轴向位移传感器；

所述轴向位姿调整用位移促动器，至少有三个，均匀布置在反射镜面底部或边缘处，作动方向均沿着反射镜面的坐标轴Z向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴Z向运动；各轴向位姿调整用位移促动器均集成有轴向力传感器，该轴向力传感器用于检测所处位置处的反射镜面的重力在轴向上的分量；

所述轴向位移传感器，至少有三个，均用于检测反射镜面在轴向位姿调整用位移促动器的驱动下，其所处位置处的Z向平动位移量，并根据各轴向位移传感器反馈的Z向平动位移量，解算反射镜面分别绕坐标轴X、Y的旋转角位移量R_x、R_y；

各轴向位姿调整用位移促动器的作动直至轴向位移传感器所反馈的数值满足要求；

所述的轴向支承系统，用于承担反射镜面的重力在轴向上的分量W*sinθ，包括轴向流体力促动器；

所述轴向流体力促动器，根据轴向力传感器所反馈的数值来作动，直至轴向力传感器所检测到的数值为零或小于允许的误差。

作为本发明的进一步改进，所述侧向镜面位姿调整系统，包括侧向位姿调整用位移促动器和侧向位移传感器；

所述侧向位姿调整用位移促动器，包括X向位移促动器、Y向位移促动器；X向位移促动器，作动方向沿着反射镜面的坐标轴X向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴X向运动；Y向位移促动器，作动方向沿着反射镜面的坐标轴Y向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴Y向运动；X向位移促动器、Y向位移促动器均集成有侧向力传感器，该侧向力传感器用于检测所处位置处的作用力大小；

所述侧向位移传感器，包括X向位移传感器、Y向位移传感器，X向位移传感器，与X向位移促动器配合使用，用于检测X向位移促动器驱动反射镜面产生的X轴向平动位移量x；Y向位移传感器，与Y向位移促动器配合使用，用于检测Y向位移促动器驱动反射镜面产生的Y轴向平动位移量y；侧向位移传感器根据X轴向平动位移量x、Y轴向平动位移量y能够测算出反射镜面绕坐标轴Z的旋转角位移量R_z；

侧向位姿调整用位移促动器的作动直至侧向位移传感器所反馈的数值满足要求；

所述侧向支承系统，用于承担反射镜面的重力在反射镜面所在平面内的侧向分量W*cosθ，包括侧向支承用流体力促动器；

所述侧向支承用流体力促动器，根据侧向力传感器所反馈的数值来作动，直至Y向位移促动器上的侧向力传感器所检测到的数值为零或小于允许的误差。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明提供了基于流体压力控制和驱动的精密光学反射镜面支承和定位系统方案，可同时实现镜面的轴向和径向支承及镜面的精密定位功能；轴向支承采用三个扇形区域，扇区内流体力促动器共用同一个比例阀控制；而侧向支承采用余弦分布的力支承方案，符合精密镜面侧支承原理，且对称位置的流体力促动器也共用同一个比例阀控制的方案；所有流体力促动器共用一个流体泵站；可根据镜面的俯仰指向精密调整支承力和镜面姿态；并由于拥有多个独立的流体比例阀，在系统建成后，仍然便于根据镜面支承要求和实际情况，随时对流体力促动器进行微调，以改善镜面支承性能；本发明体现了结构较简单，能耗少，造价低的特点，具有原理清晰、结构对称和可实施性好、适应性强等优点。

附图说明

图1是现有技术中，采用重锤杠杆机构进行镜面支承的示意图；

图1中：反射镜面1'；杠杆4'；铰链5'；重锤6'；

图2是现有技术中，采用跷跷板机构进行镜面支承的示意图；

图2中：反射镜面1'；镜室2'；浮动架3'；杠杆4'；铰链5'；

图3是本发明所述的镜面轴向支承系统仰视示意图；

图3中：1-反射镜面，2-轴向流体力促动器，3-轴向支承用流体管道，4-轴向支承用比例阀，5-轴向位移促动器，6-轴向位移传感器，7-流体泵站；

图4是本发明镜面轴向支承系统侧视及位置检测系统示意图；

图4中：1-反射镜面，2-轴向支承用流体力促动器，3-轴向支承用流体管道，5-轴向位移促动器，6-轴向位移传感器；

图5是本发明镜面侧向支承原理及力分析示意图；

图6是本发明所述镜面侧向支承系统示意图；

图6中：1-反射镜面，7-流体泵站，9-侧向支承用流体力促动器，10-侧向支承用流体管道，11-侧向支承用比例阀；

图7是本发明所述侧向支承系统位置检测系统示意图；

图7中：1-反射镜面，12-侧向位移促动器，13-侧向支承用力传感器，14-侧向位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置。表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

本发明提供了一种半主动式反射镜面支承和定位系统，用于支承和定位反射镜面，包括镜面支承系统以及镜面位姿调整系统，所述镜面支承系统包括轴向支承系统和侧向支承系统，而镜面位姿调整系统则包括轴向镜面位姿调整系统和侧向镜面位姿调整系统，其中：

反射镜面，具有六个自由度，包括三个分别沿坐标轴X、Y、Z的轴向平动以及三个分别绕坐标轴X、Y、Z的转动。

反射镜面的位置，特别是大型天文望远镜主镜往往需要作位姿调整，即需调整其六个自由度上的位移，参见图3和图4。其中z、R_x和R_y这三个自由度的调整由轴向镜面位姿调整系统实现，x、y和R_z由侧向镜面位姿调整系统实现。

所述的轴向镜面位姿调整系统，包括轴向位姿调整用位移促动器、轴向位移传感器。

所述轴向位姿调整用位移促动器，至少有三个，均匀布置在反射镜面底部或边缘处，作动方向均沿着反射镜面的坐标轴Z向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴Z向运动；各轴向位姿调整用位移促动器均集成有轴向力传感器，该轴向力传感器用于检测所处位置处的反射镜面的重力在轴向上的分量。

所述轴向位移传感器，至少有三个，均用于检测反射镜面在轴向位姿调整用位移促动器的驱动下，其所处位置处的Z向平动位移量，并根据各轴向位移传感器反馈的Z向平动位移量，解算反射镜面分别绕坐标轴X、Y的旋转角位移量R_x、R_y。

各轴向位姿调整用位移促动器的作动直至轴向位移传感器所反馈的数值满足要求。

所述的轴向支承系统，用于承担反射镜面的重力在轴向上的分量W*sinθ，包括轴向流体力促动器；基于镜面的反射面的面形精度要求，在镜面背部设置相应需要数量的支承点，以及每个支承圈的支承点的数量及支承圈的半径分布；支承圈的数量决定了镜面面形的径向变化数，支承圈上的支承点的数量决定了镜面面形的周向变化数。每个支承点采用流体力促动器，如液压缸或气缸，进行支承。

结合镜面的形状，将所有的轴向支承点等分为三个扇形区域，每个扇形区域内所有的轴向支承用流体力促动器由一个独立轴向支承用比例阀控制。参见图4，设镜面重力为W，镜面轴线仰角为θ，则每个扇区轴向支承用流体力促动器各支承镜面重力的轴向分量W*sinθ的三分之一，即W*sinθ/3，三个轴向支承用比例阀由计算机控制，协调工作，始终保持三个扇区的轴向支承用流体力促动器的输出力大小的总和等于镜面重力在轴向上的分量W*sinθ。

为了实现镜面的精密定位或调整，在镜面底部或边缘处，等分布地沿轴向设置三个轴向位移促动器和三个轴向位移传感器。三个轴向位移传感器用于检测和解算镜面的三个自由度z及R_x和R_y，即轴向平动位移量z及镜面绕X和Y轴的旋转角位移量R_x和R_y；而三个轴向位移促动器则用以驱动镜面按需要的调整量精密调整这三个自由度。轴向位移促动器集成有力传感器，并由计算机控制三个轴向支承扇区的三个轴向支承用比例阀，配合镜面的三个自由度的调整，始终确保轴向支承用力传感器受力为零或小于允许的误差，即镜面的重力在轴向上的分量W*sinθ始终由轴向支承用流体力促动器承担。

通过这样的布置和控制，就实现了对镜面的轴向支承及上述三个自由度z、R_x和R_y上位姿的调整。所有的轴向支承用流体力促动器只由一个流体泵站,如液压站或气泵，提供流体压力，即镜面轴向支承系统需要有一个流体压力源和三个比例阀。

所述轴向流体力促动器，根据轴向力传感器所反馈的数值来作动，直至轴向力传感器所检测到的数值为零或小于允许的误差。

所述侧向镜面位姿调整系统，包括侧向位姿调整用位移促动器和侧向位移传感器。

所述侧向位姿调整用位移促动器，包括X向位移促动器、Y向位移促动器；X向位移促动器，作动方向沿着反射镜面的坐标轴X向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴X向运动；Y向位移促动器，作动方向沿着反射镜面的坐标轴Y向设置，用于驱动反射镜面沿坐标轴Y向运动；X向位移促动器、Y向位移促动器均集成有侧向力传感器，该侧向力传感器用于检测所处位置处的作用力大小。

所述侧向位移传感器，包括X向位移传感器、Y向位移传感器，X向位移传感器，与X向位移促动器配合使用，用于检测X向位移促动器驱动反射镜面产生的X轴向平动位移量x；Y向位移传感器，与Y向位移促动器配合使用，用于检测Y向位移促动器驱动反射镜面产生的Y轴向平动位移量y；侧向位移传感器根据X轴向平动位移量x、Y轴向平动位移量y能够测算出反射镜面绕坐标轴Z的旋转角位移量R_z。

侧向位姿调整用位移促动器的作动直至侧向位移传感器所反馈的数值满足要求。

所述侧向支承系统，用于承担反射镜面的重力在反射镜面所在平面内的侧向分量W*cosθ，包括侧向支承用流体力促动器。

所述侧向支承用流体力促动器，根据侧向力传感器所反馈的数值来作动，直至Y向位移促动器上的侧向力传感器所检测到的数值为零或小于允许的误差。

本发明接着提出基于流体力促动器的精密镜面侧向支承方案。如图5所示原理，为实现镜面侧向支承，沿径向在镜体圆柱面上施加等角度分布的支承力。镜面重力及其方向由W及竖直向下的箭头表示。可将支承力分为两组，一组在镜面下侧向上推镜面，另一组在镜面上侧向上拉镜面。根据镜面侧支承的需要，也可仅采用一组支承力来实现镜面的侧向支承。设共有n个支承力，如果采用上下两组支承力，则γ₀＝2π/n；如果采用一组支承力，则γ₀＝π/n。假设每组支承力大小F_i均按余弦分布，即F_i＝F₀cosγ_i，即F₀最大，往两侧按余弦规律渐减，至镜面水平直径左右两端点处，支承力F_i减为零；参见图4和图5，则所有F_i及F₀沿重力方向的分量的合成应与镜面重力在镜面所在平面内的分量W*cosθ平衡，所以有：

即可根据上式(1)确定最大支承力的大小及变化规律，进而确定所有侧向支承力的大小及变化规律。

图6给出了一种基于上述侧向支承力学原理的并基于流体力促动器的镜面精密侧向支承系统结构示意图。图6中采用了一组流体力促动器提供支承力，在镜面下侧实现镜面侧支承。由于系统是左右对称的，所以左右对称的侧向支承用两个流体力促动器由同一个侧向支承用比例阀控制输出力。侧向支承系统与轴向支承系统共用同一个流体泵站。当镜面俯仰角发生变化时，由计算机根据上式(1)来控制侧向支承用比例阀，从而控制每个侧向支承用流体力促动器的输出力按照要求变化。

上述轴向支承系统考虑了镜面的z及Rx和Ry的精密定位和调整系统方案，同样的，参见图3所定义坐标系，为了实现镜面的其余三个自由度，即沿X轴和Y轴的平动x和y及绕Z轴的转动R_z，的精密定位或调整，参见图6和图7，在镜面水平和竖直的直径的端点A附近的镜面侧面上，并在镜面所在平面内，各设置一个侧向位移促动器和一个侧向位移传感器。水平的两个位移促动器和两个位移传感器用以驱动和检测镜面沿X轴的平动位移x，竖直的两个位移促动器和两个位移传感器用以驱动和检测镜面沿Y轴的平动位移y，而当四个侧向位移促动器同时同方向驱动时，则实现镜面绕Z轴的转动位移R_z，并可由四个侧向位移传感器的读数解算出R_z的大小。侧向支承用力传感器用以监测位移促动器上作用力的大小，特别是竖直反向作用的两个侧向支承用力传感器，应始终保持为零或小于允许的误差，即镜面的重力在镜面所在平面内的侧向分量W*cosθ始终由侧向支承用流体力促动器承担。

通过上述关于精密镜面的轴向和侧向支承系统的布置和控制，可实现对镜面的所有六个自由度上位姿(x、y、z、R_x、R_y及R_z)的调整。所有的流体力促动器只由一个流体泵站提供流体压力。由于本发明可根据镜面的俯仰角主动控制和调整支承元件流体力促动器以及可主动调整镜面的位置，但并不闭环校正镜面的面形精度，因此称为半主动式的精密光学镜面定位和支承系统。

以下结合附图详细地说明本发明的技术方案：

在图3和图4中，反射镜面1背部按要求的位置均匀设置若干轴向支承用流体力促动器2，并等分成三个扇区，每个扇区内的轴向支承用流体力促动器2通过轴向支承用流体管道3相连，分别连至一个轴向支承用比例阀4，再一起连至流体泵站7；在镜面边缘或背面，等分地设置三个集成有轴向支承用力传感器8的轴向位移促动器5，用以精密调整和定位镜面1的沿Z轴及绕X轴和Y轴的三个自由度；又等分地设置了三个轴向位移传感器，用以监测镜面1的沿Z轴及绕X轴和Y轴的三个自由度上的位姿。在图6和图7中，镜面下侧面等分地沿径向按要求设置若干侧向支承用流体力促动器9，并将对称的流体力促动器9，两两通过侧向支承用流体管道10相连，由同一个侧向支承用比例阀11控制，各输出力按余弦分布，并连至流体泵站7；在镜体的侧面，在镜面的上下左右四处，设置了四组集成有侧向支承用力促动器13的侧向位移促动器12和侧向位移传感器14，用以精密调整和监测镜面1的沿X轴和Y轴及绕Z轴的三个自由度。